半导体是如何工作的

由:马歇尔的大脑|

从上面顺时针方向看:芯片、LED和晶体管都是由半导体材料制成的。查看更多电子零件图片。"width=
从上面顺时针方向看:芯片、LED和晶体管都是由半导体材料制成的。查看更多电子零件图片。

半导体对我们的社会产生了巨大的影响。你会发现半导体是微处理器芯片以及晶体管。任何计算机化或使用的东西无线电波取决于半导体。

今天,大多数半导体芯片和晶体管是用.你可能听说过“硅谷”和“硅经济”这样的说法,这就是为什么硅是任何电子设备的心脏。

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一个二极管是最简单的半导体器件,因此,如果你想了解半导体是如何工作的,它是一个极好的起点。在本文中,您将了解半导体是什么,掺杂是如何工作的,以及如何使用半导体创建二极管。但首先,让我们仔细看看硅。

硅是一种非常常见的元素,例如,它是沙子和石英中的主要元素。如果你在元素周期表,你会发现它在铝的旁边,在碳的下面,在锗的上面。

在元素周期表中,硅位于铝的旁边,碳的下面。"width=
在元素周期表中,硅位于铝的旁边,碳的下面。

碳、硅和锗(锗和硅一样,也是一种半导体)的电子结构各有其独特的特性外层轨道上有四个电子.这使得它们形成了漂亮的晶体。四个电子与四个相邻电子形成完美的共价键原子,创建一个晶格.在碳中,我们知道它的晶体形式是钻石.在硅中,晶体形式是一种银白色的、看起来像金属的物质。

在硅晶格中,所有硅原子与四个相邻原子完美结合,没有留下自由电子来传导电流。这使得硅晶体成为绝缘体而不是导体。"width=
在硅晶格中,所有硅原子与四个相邻原子完美结合,没有留下自由电子来传导电流。这使得硅晶体成为绝缘体而不是导体。

金属往往是电的良导体,因为它们通常有“自由电子”,可以很容易地在原子之间移动,而电涉及到电子的流动。虽然硅晶体看起来是金属的,但实际上它们不是金属。硅晶体中所有的外层电子都参与其中完美的共价键,这样它们就不能四处走动了。纯硅晶体几乎是绝缘子——只有很少的电流能通过它。

但你可以通过一个叫做兴奋剂的过程来改变这一切。

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掺杂硅

你可以通过改变硅的行为把它变成导体兴奋剂它。在服用兴奋剂时,你要混合少量的an杂质变成了硅晶体。

有两种杂质:

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  • n型-在n型掺杂中,被少量地添加到硅中。磷和砷各有5个外部电子,所以当它们进入硅晶格时就不合适了。第5个电子没有键,所以它可以自由移动。只需要非常少量的杂质就能产生足够多的自由电子,让电流通过硅。n型硅是良导体。电子带负电荷,因此称为n型电子。
  • p型-在p型掺杂中,掺杂剂。硼和每个原子只有3个外层电子。当它们混合到硅晶格中时,它们会在晶格中形成“空穴”,在那里硅电子没有可以结合的东西。没有电子就产生了正电荷效应,因此得名p型。空穴可以导电。空穴会很高兴地接受邻居的电子,使空穴在空间上移动。p型硅是良导体。

只要少量的n型或p型掺杂,硅晶体就会从良好的绝缘体变成可行的(但不是很好的)导体——因此得名“半导体”。

n型和p型硅本身并不是那么神奇;但是当你把它们放在一起时,你会在交叉点得到一些非常有趣的行为。这就是二极管的工作原理。

一个二极管是最简单的半导体器件。二极管允许电流向一个方向流动,而不允许另一个方向流动。你可能在体育场或地铁站见过只允许人们单向通过的旋转门。二极管是电子的单向旋转门。

如图所示,当你把n型硅和p型硅放在一起时,你会得到一个非常有趣的现象,它赋予了二极管独特的特性。

尽管n型硅本身是导体,p型硅本身也是导体,但图中所示的组合并不导电。n型硅中的负电子被正极吸引电池.p型硅上的正极孔被电池的负极吸引。没有电流流过结,因为空穴和电子都朝着错误的方向移动。

如果你翻转电池,二极管导电性很好。n型硅中的自由电子被电池的负极排斥。p型硅上的孔被正极排斥。在在n型硅和p型硅之间,空穴和自由电子相遇。电子填满了空穴。这些空穴和自由电子不复存在,取而代之的是新的空穴和电子。结果是电流通过结。

下一节我们将讨论二极管和晶体管的用途。

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二极管和晶体管

阻挡一个方向的电流而让电流朝另一个方向流动的装置叫做电流互感器二极管.二极管有多种用途。例如,一个使用电池的设备通常包含一个二极管,如果你向后插入电池,二极管可以保护设备。二极管简单地阻止任何电流离开电池,如果它是反向的——这保护了设备中的敏感电子。

半导体二极管的性能并不完美,如下图所示:

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反向偏置在美国,一个理想的二极管可以阻挡所有电流。一个真正的二极管可能允许10个微安虽然不是很多,但还是不完美。如果你运用足够的反向电压(V),接点击穿,让电流通过。通常,击穿电压比电路所能看到的电压要大得多,所以这是无关紧要的。

正向偏压,需要少量的电压使二极管工作。在硅中,这个电压大约是0.7伏特。这个电压是在结处开始空穴-电子结合过程所需要的。

另一项与二极管相关的重大技术是晶体管。晶体管和二极管有许多共同之处。

晶体管

一个晶体管是通过使用三层而不是二极管中使用的两层。您可以创建NPN或PNP三明治。晶体管可用作开关或放大器。

晶体管看起来像两个背靠背的二极管。你可以想象没有电流可以通过晶体管,因为背靠背的二极管会阻断电流的双向。这是真的。然而,当你施加一个小电流中心层对于三明治,更大的电流可以作为一个整体流过三明治。这给了晶体管它切换的行为。小电流可以使大电流通断。

一个硅晶片是一块可以容纳数千个晶体管的硅。用晶体管作为开关,你可以创造布尔盖茨,您可以使用布尔门创建微处理器芯片

从硅到掺杂硅,再到晶体管,再到芯片的自然发展,使得微处理器和其他电子设备在当今社会如此廉价和普遍。基本原则出奇地简单。奇迹在于这些原理的不断完善,如今,数千万个晶体管可以廉价地组装在一块芯片上。

有关半导体、二极管、芯片等的更多信息,请查看下一页的链接。

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最初出版:2001年4月25日

半导体常见问题解答

硅是半导体吗?
是的,大多数半导体芯片和晶体管都是用硅制造的,因为硅的结构稳定,所以硅是首选的原材料。
半导体是做什么用的?
半导体主要用于电子器件,包括芯片、二极管、晶体管和集成电路。任何计算机化或使用无线电波的东西都依赖于半导体。
半导体中使用什么元素?
半导体可以是硅、碳、锗等纯元素,也可以是掺杂(混合少量杂质)磷或砷(n型掺杂)或硼或镓(p型掺杂)的导体。
半导体是什么?
半导体是在导体(通常是金属)和非导体或绝缘体(如大多数陶瓷)之间具有导电性的材料。
谁是最大的半导体公司?
据雅虎金融在美国,2020年全球最大的三家竞争者分别是台积电(年收入454亿美元)、三星(收入522亿美元)和英特尔(收入739亿美元)。

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